南岔煤業(yè)煤炭三維地震炸藥與可控震源互補協(xié)同勘探技術(shù)應用與研究

苗 壯 平建明

(1.山西煤炭進出口集團左云長春興煤業(yè)有限公司，山西省大同市，037100；2.山西煤炭進出口集團公司技術(shù)中心，山西省太原市，030006)

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南岔煤業(yè)煤炭三維地震炸藥與可控震源互補協(xié)同勘探技術(shù)應用與研究

苗 壯1平建明2

(1.山西煤炭進出口集團左云長春興煤業(yè)有限公司，山西省大同市，037100；2.山西煤炭進出口集團公司技術(shù)中心，山西省太原市，030006)

結(jié)合南岔煤業(yè)井田地質(zhì)資料，針對晉北黃土塬區(qū)復雜地質(zhì)條件地震勘探進行研究，運用煤炭三維地震炸藥與可控震源互補協(xié)同勘探技術(shù)對其首采區(qū)地質(zhì)勘探，為煤炭三維地震炸藥與可控震源互補協(xié)同勘探技術(shù)在晉北黃土塬區(qū)復雜地質(zhì)條件下實際運用提供了參考資料。

黃土塬區(qū) 三維地震勘探 炸藥與可控震源協(xié)同

三維地震勘探技術(shù)在我國礦區(qū)的應用發(fā)展為礦區(qū)解決小構(gòu)造勘探問題提供了有力依據(jù)，同時，地震勘探設施不斷優(yōu)化，地震區(qū)域網(wǎng)絡技術(shù)不斷提高，復雜施工問題已得到有效解決，而且先進的設備技術(shù)性能指標更有利于進一步提高煤田地震勘探精度和開展多波多分量勘探。但是城市、城鎮(zhèn)、村莊建筑物及黃土覆蓋區(qū)是目前煤田地震勘探的困難區(qū)，要在這些地區(qū)采集高質(zhì)量的地震資料，提高生產(chǎn)和在建礦井地質(zhì)工作精度，必須解決地震資料采集、數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)解釋等難度大的問題，要更大規(guī)模地著手建立系統(tǒng)的煤炭三維地震炸藥與可控震源互補協(xié)同勘探技術(shù)方法的研究，確保煤炭三維地震炸藥與可控震源互補協(xié)同勘探技術(shù)得到有力創(chuàng)新，更好地為我國煤炭資源的開發(fā)利用和安全生產(chǎn)服務。

煤炭炸藥與可控震源互補協(xié)同地震勘探在國內(nèi)外進行的研究工作稀少，針對晉北黃土塬區(qū)地震反射波特點和影響探測成果的主要原因，采取“高覆蓋次數(shù)、單深井激發(fā)、大藥量、中低頻檢波器、炸藥協(xié)同可控震源采集、連續(xù)對稱采樣觀測系統(tǒng)、角部以炮補道的滾進滾出觀測系統(tǒng)、按照線距與炮距的倍數(shù)補炮來減小采集腳印的采集方法、基于靜校正的觀測系統(tǒng)設計方法、層析靜校正、炸藥協(xié)同可控震源三維地震勘探波形統(tǒng)一處理技術(shù)、優(yōu)勢頻帶解釋及多屬性分析”等手段，獲得了效果更好的煤層地震反射信息，在南岔煤業(yè)中得到了很好的應用。

1 區(qū)域地質(zhì)和地震條件

1.1 地表條件

云中山北端是南岔煤礦的高點，地貌屬剝蝕斷塊低中山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形西低東高、南低北高，區(qū)內(nèi)溝谷切向損壞嚴重，井田東北向就是區(qū)內(nèi)最高點，海撥是1693 m，區(qū)內(nèi)最低點位置在井田西部，海拔1398 m，相對高差295 m，區(qū)內(nèi)常年流水性河流罕見，溝谷中僅在春冬之交及夏天的雨季有短期地表徑流。云中山脈北端與恒山山脈西南端的交匯處即為井田所在位置，為典型的黃土、基巖切割型中山—丘陵地形地貌，井田內(nèi)溝谷山梁發(fā)育，按其形態(tài)類型分為侵蝕地形及沉積型地形，其中以侵蝕地形為主。

1.2 研究區(qū)地震條件

1.2.1 表層地震條件

研究區(qū)屬海河流域、永定河水系、桑干河北岸支系。地表為河灘、基巖出露、黃土等，局部有人工林。

1.2.2 淺層地震條件

研究區(qū)淺層地層變化多樣，地質(zhì)情況較復雜，主要有以下幾種：

(1)表層薄黃土覆蓋，鵝卵石很多。黃土、卵礫石層對地震反射波都有較強的吸收和屏蔽作用，是本研究的重、難點所在。

(2)風化基巖出露區(qū)為粗砂巖風化帶，90%分布在區(qū)內(nèi)中、東部，使得打炮孔難度增加，或成孔后提桿坍塌，給地震成孔帶來困難。

1.2.3 深層地震條件

研究區(qū)為石炭、二疊系煤巖地層，巖性組合為各級粒度的砂巖、粉砂巖及煤層，呈規(guī)律交替出現(xiàn)，巖性組合及地球物理參數(shù)都具有一定的規(guī)律，物性差異明顯。特別是主采煤層2#煤層平均厚度為7.02 m，5#煤層平均厚度為11.61 m，煤層厚度大，能形成強的可連續(xù)追蹤的T2、T5反射波，因此研究區(qū)深層地震地質(zhì)條件相對較好。

研究區(qū)主采煤層5#煤層發(fā)育較穩(wěn)定，煤層埋藏深度約270 m。5#煤層之所以能夠形成能量強、波形突出、穩(wěn)定的T5波，是因為與之頂、底板圍巖存在波阻抗差異，T5也是本次勘探的首要探測的反射波，也是后期進行處理的主要依據(jù)。

2 應用和采集成果過程

2.1 采用井震聯(lián)合的激發(fā)方式進行施工

勘探區(qū)內(nèi)地形高差變化較大，分布在測區(qū)中部溝中風化基巖區(qū)，井炮成孔能獲取較好的資料，但針對淺表地震條件，采用單一激發(fā)方式無法獲取較好的地震資料。根據(jù)低速帶調(diào)查表層結(jié)構(gòu)和實際地表情況，采用井震聯(lián)合激發(fā)方式采集勘探。對礦區(qū)廣場、礦區(qū)炸藥庫井炮無法布置，黃土層井炮成孔困難、激發(fā)層位不理想以及卵石層井炮無法成孔的地區(qū)用可控震源激發(fā)，可控震源激發(fā)具有激發(fā)精確可控、效率高的特點；對溝中基巖區(qū)和地形變化較大、可控震源無法到位的地區(qū)采用井炮施工采集。南岔三維勘探震源和井炮激發(fā)分布如圖1所示。

圖1 南岔煤業(yè)三維勘探震源和井炮激發(fā)分布圖

2.2 觀測系統(tǒng)

三維地震觀測系統(tǒng)及其炮檢距、方位角分布詳見圖2。由圖2可知，該觀測系統(tǒng)具有如下特點：炮檢距分布均勻，具有廣泛的炮檢方位角；束移動1/12排列可以提高資料的采集質(zhì)量和效率，提高靜校正的耦合性。同時該觀測系統(tǒng)便于野外組織施工，能夠保證野外數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

2.3 采集記錄

本次研究中的大部分原始單炮記錄具有高信噪比和分辨率，層次感很強，品質(zhì)超過預期，如圖3所示，同相軸特征顯著、高能、連續(xù)性好。但由于測區(qū)地表條件復雜，低速帶厚度、地表高差變化明顯，單炮的靜校正問題較嚴重。

圖2 三維地震觀測系統(tǒng)示意圖

圖3 原始單炮示意圖

2.4 數(shù)據(jù)處理和資料解釋

設計觀測系統(tǒng)時主要考慮靜校正的耦合及炮間距的選擇，以做好靜校正為主，因為煤層波的高質(zhì)量采集不需要太高的疊加次數(shù)，而高品質(zhì)的剖面需要高精度的靜校正處理，所以設計觀測系統(tǒng)重要的原則是靜校正的耦合。

在進行三維地震勘探時，觀測系統(tǒng)設計是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。由于煤炭三維地震勘探技術(shù)主要應用在煤炭安全開采的高精度構(gòu)造勘探，因此，在煤炭三維觀測系統(tǒng)設計時首先要保證設計觀測系統(tǒng)有利于室內(nèi)處理中噪音分析和噪音的壓制，將資料的信噪比和分辨率提高；其次是要弱化因觀測系統(tǒng)設計帶來的非地下地質(zhì)條件引起的采集腳印問題，使地震振幅、相位、速度等地球物理參數(shù)的變化能如實地反映出地下地質(zhì)信息，提高地震資料的保真度；同時煤炭三維觀測系統(tǒng)設計時，要強調(diào)對稱均勻采樣與波場空間連續(xù)性采樣的理念。

靜校正是陸地地震資料都需要解決的問題，能否做好靜校正，是研究區(qū)資料處理的關(guān)鍵之一。研究區(qū)地表有很大的起伏，最大高差達到200 m，而且初至波的速度變化較大。根據(jù)實際資料，本區(qū)采用了自動剩余靜校正、層析靜校正等方法。針對該區(qū)部分煤層很淺、小構(gòu)造復雜的情況，最終通過試驗確定該區(qū)的基準面為1600 m，替換速度為3500 m/s。煤層地表經(jīng)過層析反演后，得到近地表速度結(jié)構(gòu)，能夠準確獲得層析校正量。

在準確求取了層析校正量后，對長波與短波的長分量進行區(qū)別，相鄰道之間波動影響可由短波的長分量進行處理。為了達到較為準確的結(jié)果，需要在后期處理中得到自動剩余靜校正量，應找一個條件完備的標志層。南岔煤業(yè)首采區(qū)靜校正計算的結(jié)果如圖4所示。

圖4 首采區(qū)靜校正量計算結(jié)果

斷層是影響煤礦安全高效開發(fā)的原因之一，本研究著重對大同礦區(qū)的斷層構(gòu)造做出了三維地震數(shù)據(jù)解釋。在時間剖面的層面上，斷層的主要特點有：

(1)反射波中有錯斷的現(xiàn)象。斷層兩側(cè)的同相軸出現(xiàn)錯斷現(xiàn)象，這一般為中、小型斷層的反映。

(2)反射波同相軸數(shù)量驟然變化。同生正斷層地震剖面主要是下降盤同相軸數(shù)目增多，上升盤數(shù)目減少。

南岔煤業(yè)首采區(qū)典型時間剖面圖如圖5所示。由圖5可知，該區(qū)反射波斷層明顯，組合斷層可靠，對后期工作面跨斷層開采有一定的指導意義。

圖5 南岔煤業(yè)首采區(qū)典型時間剖面圖

3 結(jié)論

本研究通過對晉北黃土塬區(qū)地震勘探，可以得到關(guān)于南岔煤業(yè)首采區(qū)的多套獨立地震屬性參數(shù)(時間、速度、振幅、頻率、相位、偏振、波阻抗等)，以及這些參數(shù)的多種組合(差值、比值、乘積、幾何平均值、計算的彈性系數(shù)等)，綜合這些參數(shù)估計地層巖性、孔隙度、裂隙、含水性等，這比只用單一屬性的不確定性小，可靠性更高，解決問題的能力更強。

煤炭常規(guī)地震勘探的中心環(huán)節(jié)是靜校正，靜校正直接影響成果的準確度，晉北黃土塬區(qū)地震勘探中，由于表層地形高差變化大且速度變化大，因而對靜校正量的影響很大。所以，在處理南岔煤業(yè)實際資料時，必須進行校正。因而必須加強對表層速度提取的研究和靜校正技術(shù)的研究。

通過對南岔煤業(yè)首采工作面三維地震勘探，探得煤炭儲量2 Mt，總效益可達5500萬元，首采工作面順利完成，為礦山回收煤炭16 Mt，節(jié)約成本3000萬元。通過分析，表明在晉北黃土塬區(qū)能夠開展地震勘探工作，研究成果對提高晉北黃土塬區(qū)地震勘探有指導意義，提高了復雜地區(qū)地震勘探的精度，更好地為我國煤炭資源的開發(fā)利用和安全生產(chǎn)服務。

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[3] 崔永波.淺談三維地震勘探技術(shù)[J].山東煤炭科技,2009(6)

[4] 葉紅星.三維地震資料精細處理解釋技術(shù)在濟寧煤田的應用研究[J].中國煤炭,2014(2)

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[8] 唐漢平.復雜地震地質(zhì)條件下煤礦采空區(qū)三維地震勘探技術(shù)[J] .中國煤炭, 2013(12)

(責任編輯 郭東芝)

Application and research of complementary and collaborative exploration technology of coal 3D seismic explosive and vibroseis in Nancha Coal Industry Company

Miao Zhuang1, Ping Jianming2

(1.Zuoyun Changchunxing Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coal Import & Export Group, Datong, Shanxi 037100, China;
2.Technical Center of Shanxi Coal Import & Export Group Cornpany, Taiyuan, Shanxi 030006, China)

With the field geological data of Nancha Coal Industry Company, research on seismic exploration technology for complex geological conditions of the loess tableland in north Shanxi was carried out, complementary and collaborative exploration technology of coal 3D seismic explosive and vibroseis was adopted to explore the first mining area, which provided reference data for the actual application of the complementary and collaborative exploration technology in the loess tableland of north Shanxi.

loess tableland, 3D seismic exploration, collaborative technology of explosive and vibroseis

苗壯，平建明. 南岔煤業(yè)煤炭三維地震炸藥與可控震源互補協(xié)同勘探技術(shù)應用與研究[J]. 中國煤炭，2017,43(6)：53-56. Miao Zhuang, Ping Jianming. Application and research of complementary and collaborative exploration technology of coal 3D seismic explosive and vibroseis in Nancha Coal Industry Company[J]. China Coal, 2017, 43(6):53-56.

P631.4

A

苗壯(1965-)，男，本科學歷，工程師，山西煤炭進出口集團左云長春興煤業(yè)有限公司總工程師，現(xiàn)從事山西煤炭進出口集團左云長春興煤業(yè)有限公司技術(shù)管理工作。